بلاگ

انکودر مغناطیسی چیست

انکودر مغناطیسی چیست و چه کاربرد و مزایای دارد

انکودر مغناطیسی اطلاعات موقعیت چرخشی را به عنوان تغییرات میدان مغناطیسی تشخیص داده، سپس آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کرده و در نهایت به صورت خروجی ارائه می دهد. در این مقاله قصد داریم به سوالاتی نظیر انکودر مغناطیسی چیست؟ چه ساختار و اصولی دارد؟مزایا انکودر مغناطیسی و موارد استفاده آن را توضیح دهیم. تا پایان این مقاله با ما همراه باشید.

انکودر مغناطیسی چیست؟

انکودر مغناطیسی چیست

موتور انکودر اطلاعات موقعیت و سرعت را دریافت و سپس سیگنالی را که به برنامه ارسال می شود، ارائه می دهد. نوع موتور بسته به روش تعیین اطلاعات کنترلی دسته بندی می شود که معمولا دو دسته عمده وجود زیر می باشد:
• موتورهای انکودر نوری
• موتور انکودر مغناطیسی
روش جمع آوری اطلاعات توسط انکودر مغناطیسی و انکودر نوری متفاوت است که این موضوع باعث شده این انکودرها در محیط‌های عملیاتی مختلف عملکرد گوناگونی داشته باشند. فهمیدن نحوه عملکرد انکودر نوری و مغناطیسی می تواند به تعیین اینکه چه نوع انکودری برای برنامه شما مناسب است کمک کند.
انکودرهای مغناطیسی نوعی انکودر چرخشی هستند که از حسگرهایی برای شناسایی تغییرات میدان مغناطیسی ایتفاده می کنند. این حسگرها می توانند یک چرخ یا حلقه مغناطیسی شده در حال چرخش باشد.
یک انکودر مغناطیسی از سه بخش مهم تشکیل شده است:

• مدار حسگر
• چرخ یا یک حلقه چرخان
• مجموعه ای از قطب های مغناطیسی در اطراف محیط چرخ یا حلقه
همانطور که چرخ یا حلقه از کنار سنسور مغناطیسی می چرخد، قطب ها بر اساس قدرت میدان مغناطیسی، یک پاسخ قابل پیش بینی در سنسور ایجاد می کنند. پاسخ مغناطیسی از طریق یک مدار الکتریکی تهویه کننده سیگنال تغذیه می شود و به عنوان یک سیگنال دیجیتال به دستگاه کنترل کننده خروجی می شود.

تعداد جفت قطب های مغناطیسی شده روی قطب چرخ، تعداد سنسورها و نوع مدار الکتریکی همه با هم کار می کنند تا وضوح انکودر مغناطیسی را مشخص کنند. دلیل استفاده از مغناطیس به عنوان عنصری برای تولید سیگنال این است که تحت تأثیر محیط های بسیار سخت از جمله گرد و غبار، رطوبت، دماهای شدید و شوک قرار نمی گیرد.

جهت سفارش و خرید انکودر تماس بگیرید (02188326934)

ساختار انکودر مغناطیسی

انکودر مغناطیسی اطلاعات موقعیت چرخشی را به عنوان تغییرات میدان مغناطیسی تشخیص می دهد و آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کرده و به صورت خروجی ارائه می دهد. ساده ترین انکودر مغناطیسی از یک آهنربای دائمی و یک حسگر مغناطیسی تشکیل شده است. آهنربای دائمی به نوک یک بدنه دوار مانند شفت موتور متصل می‌شود و حسگر مغناطیسی در حالتی ثابت می‌شود که روی یک برد PCB در موقعیتی نصب می‌شود که میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنربای دائمی را دریافت می‌کند.

هنگامی که آهنربای دائمی متصل به شفت موتور می چرخد، جهت میدان مغناطیسی شناسایی شده توسط سنسور مغناطیسی تغییر می کند، در نتیجه انکودر موقعیت چرخشی و سرعت شفت موتور را تشخیص می دهد. در ادامه با استفاده از یک انکودر مغناطیسی متشکل از یک حسگر مغناطیسی به نام عنصر هال و آهنربای دائمی، اصل عملکرد را تا زمانی که تغییر توزیع میدان مغناطیسی به اطلاعات زاویه ای تبدیل شود، توضیح خواهیم داد. عنصر هال یک حسگر مغناطیسی است که از پدیده اثر هال برای خروج ولتاژ متناسب با شدت میدان مغناطیسی استفاده می کند.

عنصر هال (Hall Element)

عناصر هال استفاده شده در انکودر مغناطیسی از مواد نیمه هادی ساخته شده اند. مواد نیمه هادی بکار رفته در عناصر هال عمدتا نیمه هادی های مرکب مانند آنتیموان ایندیم بسیار حساس (InSb)، آرسنید گالیم (GaAs) با ویژگی های دمایی پایدار، و آرسنید ایندیم (InAs) با حساسیت و ویژگی های دمایی متعادل هستند. و از سیلیکون (Si) که می توان روی تراشه آی سی نصب کرد نیز استفاده می شود. علاوه بر این، دو نوع عنصر هال وجود دارد که می تواند شدت میدان مغناطیسی را در جهت عمودی و نوعی که می تواند قدرت میدان مغناطیسی را در جهت افقی تشخیص دهد.

آهنربای دائمی (Permanent Magnet)

انکودرهای مغناطیسی معمولا از آهنرباهای دائمی استوانه ای استفاده می کنند. دو نوع جهت مغناطیسی برای آهنرباهای دائمی وجود دارد که عبارتند از جهت شعاعی و جهت صفحه (یا جهت محوری). تا زمانی که شرایط چگالی شار مغناطیسی مورد نیاز برای عملکرد به عنوان رمزگذار برآورده شود، مواد و ابعاد مغناطیسی را می توان آزادانه انتخاب کرد.

آهنربای دائمی در انکودر مغناطیسی
به طور کلی آهنرباهای مبتنی بر ساماریوم کبالت (SmCo) که ویژگی های دمایی خوبی دارند، آهنرباهای مبتنی بر نئودیمیم (Ne-Fe-B) که برای کوچک کردن و سبک وزن مناسب هستند و آهنرباهای ارزان قیمت مبتنی بر فریت بر اساس هدف انتخاب می شوند.

پیکربندی آهنرباهای دائمی و عناصر هال

موقعیت ایده آل انکودر مغناطیسی این است که مرکز شفت دوار، آهنربای دائمی و عنصر هال روی یک خط تراز شوند. چنین پیکربندی “پیکربندی شفت پایان” نامیده می شود. با این حال، حتی با پیکربندی Shaft-End، در واقع یک خطای موقعیت جزئی به نام “ناهمترازی” وجود دارد. هنگامی که عنصر هال به درستی تنظیم نمی شود، قدرت میدان مغناطیسی شناسایی شده توسط عنصر هال تغییر می کند و در نتیجه دقت تشخیص زاویه دچار خطا می شود. از بین بردن کامل ناهماهنگی بسیار دشوار است.
با این حال، در پیکربندی Shaft-End، عنصر هال در ناحیه ای قرار می گیرد که میدان مغناطیسی افقی یکنواخت است، به طوری که اگر عنصر هال قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص دهد، می توان اثر ناهماهنگی را کاهش داد. بنابراین، عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می‌دهد، می‌تواند خطای زاویه‌ای ناشی از ناهمترازی را در مقایسه با عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی عمودی را تشخیص می‌دهد، کاهش دهد.

ترکیب آهنربای مغناطیسی و عنصر هال در جهت افقی

ترکیبی از یک آهنربای مغناطیسی شعاعی و یک عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می دهد

ترکیب آهنربای مغناطیسی شعاعی و عنصر هال در جهت عمودی

ترکیبی از یک آهنربای مغناطیسی شعاعی و یک عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی عمودی را تشخیص می دهد

اگر می خواهید میدان مغناطیسی نشتی را کاهش دهید زیرا میدان مغناطیسی نشتی در جهت جانبی بر تجهیزات اطراف تأثیر منفی می گذارد، از یک آهنربای دائمی که در جهت صفحه مغناطیسی شده است استفاده کنید. با این حال، در مقایسه با یک آهنربا مغناطیسی شده در جهت شعاعی، ناحیه میدان مغناطیسی یکنواخت در جهت افقی باریک شده است، بنابراین خطای زاویه ای ناشی از عدم تراز نسبتا بزرگ است.

ترکیبی از آهنربا مغناطیسی شده در جهت صفحه و عنصر هال

ترکیبی از آهنربا مغناطیسی شده در جهت صفحه و عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می دهد.

بکار رفتن آهنربای مغناطیسی شده در جهت صفحه و عنصر هال برای تشخیص قدرت میدان مغناطیسی عمودی

ترکیبی از آهنربای مغناطیسی شده در جهت صفحه و عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی عمودی را تشخیص می دهد.

به این ترتیب، مزیت پیکربندی Shaft-End این است که با ترکیب آهنربا مغناطیسی شده در جهت شعاعی و عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می‌دهد، به راحتی می‌توان یک رمزگذار را که در برابر ناهماهنگی مقاوم است، تشخیص داد.
در واقع، استفاده از پیکربندی Off-Axis نیز وجود دارد که در آن عنصر Hall در موقعیتی متفاوت از Shaft-End قرار می گیرد که در قسمت بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد. در ادامه، اصول و قاعده یک انکودر مغناطیسی متشکل از یک آهنربا مغناطیسی شده در جهت شعاعی و یک عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می دهد را توضیح خواهیم داد.

اصول و قاعده انکودر مغناطیسی

تشخیص حرکت چرخشی به عنوان تغییر میدان مغناطیسی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی

هنگامی که شفت موتور می چرخد، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربای دائمی متصل به نوک شفت نیز می چرخد. در این زمان، میدان مغناطیسی با قدرت ثابت در ناحیه نزدیک به مرکز محور چرخش می‌چرخد. عنصر هال این تغییر توزیع میدان مغناطیسی را تشخیص داده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. 

پیکربندی شفت اند در انکودر مغناطیسی

پیکربندی shaft-end در انکودر مغناطیسی

عنصر هال یک حسگر مغناطیسی است که تنها می تواند قدرت میدان مغناطیسی را در یک جهت تشخیص دهد. بنابراین، برای تشخیص موقعیت چرخشی صفحه چرخش XY، یک عنصر هال برای تشخیص قدرت جزء محور X (Bx) و یک عنصر هال برای تشخیص قدرت جزء محور Y (By) مورد نیاز است.

شناسایی قدرت میدان مغناطیسی توسط عنصر هال

شناسایی قدرت میدان مغناطیسی توسط عنصر هال

تبدیل سیگنال الکتریکی عنصر هال به اطلاعات زاویه

طلاعات میدان مغناطیسی جزء محور X و جزء محور Y که توسط عنصر هال به سیگنال الکتریکی تبدیل شده است توسط مبدل AD به سیگنال دیجیتال تبدیل می شود. علاوه بر این، به یک مدار حسابی فرستاده می شود و با استفاده از یک تابع مثلثاتی به اطلاعات زاویه تبدیل می شود.
شکل صفحه ای که از سنتز مولفه محور X و جزء محور Y به صورت متعامد با یکدیگر به دست می آید. تحت پیکربندی Shaft-End بدون ناهمترازی، قدرت میدان مغناطیسی دوار تغییر نمی کند، بنابراین یک دایره کامل ترسیم می کند. به همین دلیل، نتیجه خروجی زاویه تبدیل شده توسط تابع مثلثاتی دارای خطای صفر است. علاوه بر این، حتی اگر عنصر هال که قدرت میدان مغناطیسی افقی را تشخیص می‌دهد ناهمتراز باشد، ورودی میدان مغناطیسی به عنصر هال تغییر چندانی نمی‌کند، بنابراین خطای زاویه‌ای در نظر گرفته شده در نتیجه محاسبه کم است.

میدان مغناطیسی مولفه محور X (Bx) و Y (By)

میدان مغناطیسی مولفه محور X (Bx) و Y (By)

هنگامی که مولفه محور X که Bx و مولفه محور Y که By است، زاویه چرخش θ را می توان با محاسبه آرکتان (By/Bx) به عنوان یک زاویه مطلق به دست آورد. یعنی یک انکودر مغناطیسی اساسا یک انکودر سنجش زاویه مطلق است. علاوه بر این، با تبدیل اطلاعات زاویه مطلق به اطلاعات فاز A، فاز B و Z، می توان آن را به عنوان سیگنال پالس در روش افزایشی/روش شبه مطلق خروجی داد. در این زمان، اگر وضوح اطلاعات زاویه مطلق به اندازه کافی بالا باشد، می توان سیگنال پالسی با هر وضوحی نظیر ppr 360، ppr 1000، 2500 ppr، 4000 ppr را خروجی داد.

شکل Lissajous از قدرت میدان مغناطیسیآی سی سنسور زاویه چرخش

آی سی سنسور زاویه چرخش یک قطعه الکترونیکی است که تمام حسگرهای مغناطیسی، مبدل های AD و مدارهای محاسبه زاویه را که اجزای لازم برای یک انکودر مغناطیسی هستند، در خود جای داده است.
این امکان وجود دارد که یک انکودر مغناطیسی کوچک با ساختار بسیار ساده یک آی سی سنسور زاویه چرخش و یک آهنربای دائمی ایجاد شود و به طور گسترده ای در کاربردهای مصرفی، صنعتی و خودرو استفاده می شود.

نحوه عملکرد روتاری انکودر مغناطیسی چگونه است؟

انکودر نوری از نور (اپتیک) برای شناسایی موقعیت های منحصر به فرد انکودر استفاده می کند. یک انکودر مغناطیسی از همان اصل برای تعیین موقعیت یک انکودرنوری استفاده می کند، اما این کار را با استفاده از میدان های مغناطیسی انجام می دهد نه نور. 3 مدل اصلی انکودر مغناطیسی عبارتند از:

سنسور یا پیکاپ دندانی دنده مغناطیسی| Magnetic Gear Tooth Sensor or Pickup

ساده ترین مدل انکودر مغناطیسی، یک حسگر چرخشی با مقاومت متغیر یا پیکاپ مغناطیسی است که از یک سنسور مغناطیسی و یک چرخ دنده فرومغناطیسی با دندانه تشکیل شده است. هنگامی که دندان ها از کنار سنسور حرکت می کنند، میدان مغناطیسی در حال تغییر یک پالس ولتاژ تولید می کند که می تواند به سرعت تبدیل شود.
اگرچه این مدل انکودر مغناطیسی ساده و مقرون به صرفه است، وضوح خروجی(رزولوشن) به صورت مکانیکی توسط تعداد دندانه‌های چرخ دنده محدود می‌شود و وضوح معمولی را به 120 یا 240 پالس در هر دور(PPR) محدود می‌کند.

انکودر مغناطیسی مقاومتی

یک حسگر مغناطیسی مقاومتی شامل مجموعه‌ای از مقاومت‌های لایه نازک طرح‌دار است که در امتداد یک چرخ یا حلقه با حوزه‌های مغناطیسی جایگزین ثابت شده‌اند. با چرخاندن چرخ، دامنه ها از کنار آرایه حسگر عبور می کنند و مقاومت خروجی تغییر کرده و یک سیگنال سینوسی تولید می کند.
انکودرهای مغناطیسی مقاومتی در مقایسه با انکودرهای مغناطیسی می توانند وضوح بسیار بالاتری با مقاومت متغیر داشته باشند. با این حال، سنسورهای مقاومت مغناطیسی، حسگرهای گسسته هستند و معمولا بزرگتر بوده و ادغام آنها دشوار است که این ویژگی به هزینه و پیچیدگی می‌افزاید.

انکودرهای مغناطیسی اثر هال

سنسور اثر هال از لایه ای از مواد نیمه هادی تشکیل شده است که به منبع تغذیه متصل است. هنگامی که یک دامنه مغناطیسی روی یک چرخ یا حلقه از یک سنسور اثر هال عبور می کند، این برهمکنش باعث ایجاد افزایش ولتاژ می شود. دامنه و فرکانس اغتشاش مغناطیسی را می توان برای تعیین سرعت و جابجایی استفاده کرد.

دیاگرام اثر هال انکودر مغناطیسی
انکودرهای مغناطیسی اثر هال حسگر و پردازنده را در یک تراشه ادغام می کنند. به همین دلیل بسیار فشرده تر از انکودرهای مغناطیسی مقاومت هستند. آنها وضوح بالاتری دارند و می توانند به صورت آرایه ای تولید شوند تا ضبط داده را در چندین آشکارساز پخش کند، میانگین خطا را کاهش می دهد و حساسیت را افزایش.

موارد استفاده و کاربرد انکودرهای مغناطیسی

یک انکودر مغناطیسی طوری طراحی شده تا بتواند یک خروجی و بازخورد دیجیتالی قابل اعتماد در شرایط محیطی بسیار سخت ارائه دهد. در مقایسه با انکودرهای نوری که دیسک کد نوری توسط خاک یا رطوبت آلوده می شود، انکودرهای مغناطیسی از تغییرات میدان مغناطیسی به عنوان روش تشخیص استفاده می کنند که آنها را در محیط های آلوده بسیار قابل اعتمادتر می کند.
انکودرهای مغناطیسی در مواردی که نیاز به مشخصات دمایی گسترده، مقاومت بالا در برابر ضربه و لرزش، آب بندی قوی، و محافظت در برابر آلودگی دارند، در عین حال که قابلیت اطمینان سیگنال خروجی و کاهش زمان خرابی را فراهم می کنند، عالی هستند. از کاربردهای رایج انکودرهای مغناطیسی بازخورد موقعیت و سرعت در کارخانه های فولاد، خمیر کاغذ، کاغذ و چوب است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *